JP2005042144A - Heat- resisting member, and its production method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温腐食性雰囲気や高温酸化性雰囲気などで使用される耐熱部材とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、発電用やエンジン用のガスタービンに代表される高温機器の高効率化や高性能化が精力的に進められている。このような高温機器の高性能化などを達成するための最も有効な手段としては、機器運転温度の高温化が挙げられる。そこで、機器構成材料には機器運転温度の高温化に対応するために、より一層の高温強度、耐食性、耐酸化性、並びに耐エロージョン性などが要求されている。
【0003】
このような点に対して、Ni、Co、Feなどをベースとする超合金単体の材料開発では材料特性の向上に限界があることから、発電用ガスタービンや航空機用ジェットエンジンなどの分野においては、超合金にM−Cr−Al−Y合金(M:Ni,Co,Fe)などからなる耐食・耐酸化金属コーティングを施す技術が開発され、高温化を達成するために不可欠な技術として認知されている。また、さらなる高温環境下での使用を可能にするために、耐食・耐酸化金属コーティング層上に熱伝導率が低いセラミックス層を遮熱コーティング(TBC)層として形成し、基材の冷却効率を高める技術が開発されている。
【0004】
上述したような遮熱コーティング層は、既に応力負荷の低いタービン静翼などで実機への適用が進められている。遮熱コーティング層の形成材料には、ジルコニア、ハフニア、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、窒化チタン、窒化アルミニウムなどのセラミックス材料を適用することができる。また、遮熱コーティング層を適用する場合、M−Cr−Al−Y合金などからなる耐食・耐酸化金属コーティング層は、基材とセラミックス材料との熱膨張差に起因する熱応力を緩和する役割も担っており、基材と遮熱コーティング層との間のボンドコーティング層としても機能するものである。
【0005】
セラミックス材料からなる遮熱コーティング層を形成するにあたっては、プラズマ溶射法、高速ガス炎溶射(HVOF)法などの溶射法、PVD(物理的蒸着)法、CVD(化学的蒸着)法、スピンコーティング法などの各種の製膜法を適用することができる。特に、プラズマ溶射法は厚膜の形成が容易であると共に、被覆材料の選択の幅が広いことなどから、ガスタービンやジェットエンジンなどの動・静翼用の遮熱コーティングに使用されている。しかし、溶射法で形成した遮熱コーティング層は熱サイクルやエロージョンによって、特に層内部から剥離が生じやすく、また基材の曲率の小さな部位に均質な被膜が形成しにくいなどの問題を有している。
【0006】
一方、耐熱サイクル性と耐エロージョン性を改善するための方法として、電子ビームPVD(EB−PVD)法を適用することが検討されている。EB−PVD法によれば、ボンドコーティング層との界面に対して垂直方向に成長する柱状組織を有するセラミックス層を得ることができる。このような柱状組織を有する遮熱コーティング層は、例えばクラックの界面に平行な方向への伝播を抑制することができ、またプラズマ溶射法などに比べて高硬度を有していることから、耐熱サイクル性や耐エロージョン性を高めることができる。
【0007】
上述したようなプラズマ溶射法による層状のセラミックスの剥離を防止するために、複合酸化物からなる分散粒子をセラミックス層内部に分散配置させる技術も開発されている(例えば特許文献1参照)。また、プラズマ溶射法による層状のセラミックス層とEB−PVD法による柱状のセラミックス層とを耐熱部材の部位により使い分けた例もある(例えば特許文献2参照)。
【0008】
しかしながら、EB−PVD法による遮熱コーティング層は、熱伝導の障害となり得る柱状組織の界面や空隙を有しているにもかかわらず、これらは熱伝導方向と平行に存在することから、熱伝導の経路を稼ぐことができない。このために、EB−PVD法による遮熱コーティング層の熱伝導率は、プラズマ溶射法などによる遮熱コーティング層に比べて2倍程度高く、遮熱コーティング本来の遮熱性に難点を有している。
【0009】
【特許文献1】特開平11−264084号公報
【特許文献2】特開平9−195067号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、遮熱コーティング層の形成方法としては、プラズマ溶射法などに比べて耐熱サイクル性や耐エロージョン性に優れたセラミックス層を得ることが可能なEB−PVD法が期待されている。しかしながら、従来のEB−PVD法では界面に対して垂直方向に成長する柱状組織構造に起因して、熱伝導の経路を稼ぐことができず、このために遮熱コーティング本来の遮熱性を十分に高めることができないという難点を有している。
【0011】
このようなことから、発電用ガスタービンや航空機用ジェットエンジンの動・静翼などに用いられる高温機器用部品、いわゆる耐熱部品においては、それらの使用環境下で生じる問題、すなわち熱サイクルやエロージョンなどによる遮熱コーティング層の剥離を防止した上で、遮熱コーティング本来の特性である遮熱性を高めることが求められている。そして、このような遮熱コーティング層を適用することによって、機器運転温度の上昇による高効率化を図ると共に、長寿命化や高信頼性化を実現した耐熱部材の出現が強く望まれている。
【0012】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、耐熱サイクル性や耐エロージョン性などを損なうことなく、遮熱コーティング層の遮熱性を向上させることによって、機器運転温度の上昇による高効率化、長寿命化、高信頼性化などを図った耐熱部材およびその製造方法を提供することを目的としている。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の耐熱部材は、基材と、前記基材表面に被覆形成されたボンドコーティング層と、前記ボンドコーティング層上に形成された遮熱コーティング層とを具備する耐熱部材において、前記遮熱コーティング層は前記基材または前記ボンドコーティング層の鉛直方向に対して鋭角を成す方向に成長した柱状組織を有することを特徴としている。
【0014】
また、本発明の耐熱部材の製造方法は、基材表面にボンドコーティング層を被覆形成する工程と、前記ボンドコーティング層上に、前記基材または前記ボンドコーティング層の鉛直方向に対して鋭角を成す方向に柱状組織を成長させて遮熱コーティング層を形成する工程とを具備することを特徴としている。
【0015】
本発明の耐熱部材においては、柱状組織を有する遮熱コーティング層を適用し、その上で柱状組織を基材またはボンドコーティング層の鉛直方向に対して鋭角を成す方向に成長させている。このような柱状組織の成長方向を有する遮熱コーティング層では、柱状組織の界面や空隙が熱伝導方向に対して角度を持って配置されることから、これら柱状組織の界面や空隙を熱伝導の障害として有効に利用することができる。従って、柱状組織を有する遮熱コーティング層の熱伝導経路を稼ぐことができ、これによって遮熱性を高めることが可能となる。その上で、柱状組織を有する遮熱コーティング層は耐熱サイクル性や耐エロージョン性などに優れることから、耐熱温度の向上、長寿命化、高信頼性化などを図った耐熱部材を提供することが可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態による耐熱部材の概略構造を示す断面図である。同図に示す耐熱部材1は、Ni、CoおよびFeから選ばれる少なくとも1種の元素を主成分とする耐熱合金、あるいはセラミックス部材からなる基材2を有している。基材2の構成材料には、使用用途などに応じて各種公知の耐熱合金、もしくはセラミックス部材を適宜選択して使用することができる。
【0017】
耐熱部材1の基材2に有効な耐熱合金としては、例えばIN738、IN939、Mar−M247、RENE80、CMSX−2、CMSX−4などのNi基超合金、FSX−414、Mar−M509などのCo基超合金などが挙げられる。また、基材2にセラミックス部材を適用する場合には、炭化ケイ素焼結体、窒化ケイ素焼結体、サイアロン焼結体、ジルコニア焼結体などを使用することができる。
【0018】
上記した基材2の表面には、ボンドコーティング層3が被覆形成されている。ボンドコーティング層3は、耐食・耐酸化性に優れると共に、基材2と後述する遮熱コーティング層4との中間の熱膨張係数を有するM−Cr−Al−Y合金(MはNi、CoおよびFeから選ばれる少なくとも1種の元素を示す)で形成することが好ましい。ボンドコーティング層3の厚さは10〜500μmの範囲から用途に応じて適宜選択することができる。例えば、ガスタービン翼部では50〜300μm程度が、酸化寿命や基材2/遮熱コーティング層4間の応力緩和効果などの観点から適当である。
【0019】
M−Cr−Al−Y合金からなるボンドコーティング層3は、耐食・耐酸化性を保証すると同時に、基材2/遮熱コーティング層4間の熱膨張差に起因する熱応力の緩和を図るものである。従って、これらの性能を総合的に考慮して、一般的には0.1〜20質量%のAl、10〜35質量%のCr、0.1〜5質量%のYを含み、残部がNi、CoおよびFeから選ばれる少なくとも1種(特にNiおよびCoから選ばれる少なくとも1種)のM元素から実質的になる組成を有するM−Cr−Al−Y合金を適用することが好ましい。また、用途によってはM−Cr−Al−Y合金にTi、Nb、Hf、Zr、Ta、Wなどの1種または2種以上を5質量%以下の範囲で添加してもよい。ここでは、これらの添加元素を含有する合金を含めてM−Cr−Al−Y合金と呼ぶものとする。
【0020】
ボンドコーティング層3は、プラズマ溶射法、高速ガス炎溶射(HVOF)法、PVD(物理的蒸着)法、CVD(化学的蒸着)法などの成膜方法を適用して形成することができる。例えば、プラズマ溶射法の一種で、減圧雰囲気中で溶射プロセスを行う減圧プラズマ溶射法によれば、成膜時のボンドコーティング層3の酸化を抑制して、優れた耐酸化性を付与することができる。このように、減圧プラズマ溶射法はボンドコーティング層3の形成方法として好適である。
【0021】
上述したボンドコーティング層3上には、遮熱コーティング層4が被覆形成されている。遮熱コーティング層4は、例えば耐熱性に優れると共に、金属材料などに比べて熱伝導性が低いセラミックス材料からなるものである。このような遮熱コーティング層4の厚さは用途に応じて、例えば50〜3000μmの範囲から適宜選択される。例えば、耐熱部材1をガスタービン翼部などに適用する場合には100〜300μmの範囲とすることが好ましい。
【0022】
遮熱コーティング層4の形成材料としては、ジルコニア、ハフニア、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、窒化チタン、窒化アルミニウムなどのセラミックス材料を使用することができる。これらのうちでも、特に熱伝導率が低く、かつ熱膨張係数が大きくて比較的金属に近いことから、ジルコニア(ZrO2)やハフニア(HfO2)を適用することが好ましい。ジルコニアやハフニアは相変化を抑制するための安定化剤として、イットリア、カルシア、マグネシアなどを含有するものがより好ましく用いられる。
【0023】
上述したようなセラミックス材料からなる遮熱コーティング層4は、図2に拡大して示すように柱状組織5を有している。そして、遮熱コーティング層4を構成する柱状組織5は、基材2またはボンドコーティング層3の鉛直方向a(基材2またはボンドコーティング層3の表面に対して垂直な方向)に対する角度αが鋭角を成す方向bに成長している。このような柱状組織5で構成された遮熱コーティング層4は、例えば電子ビームPVD(EB−PVD)法を適用することにより再現性よく得ることができるが、成膜条件により柱状組織を制御することが可能であれば他の成膜法、例えばCVD法やEB−PVD法以外のPVD法などを適用して形成してもよい。
【0024】
基材2またはボンドコーティング層3の鉛直方向aに対する角度αが鋭角を成す方向bに成長させた柱状組織5を有する遮熱コーティング層4においては、柱状組織5の界面5aや空隙5bなどが熱伝導方向、すなわち遮熱コーティング層4の表面から基材2への最短経路となる方向に対して角度を持って配置される。従って、これら柱状組織5の界面5aや空隙5bなどが熱伝導の障害となり、遮熱コーティング層4の熱伝導経路を稼ぐことができる。これによって、柱状組織5を有する遮熱コーティング層4による遮熱効果を高めることが可能となる。言い換えると、遮熱コーティング層4の熱伝導性を低下させることができる。
【0025】
基材2またはボンドコーティング層3の鉛直方向aと遮熱コーティング層4の柱状組織5の成長方向bとの成す角度αは、具体的には1〜80°の範囲に設定することが好ましい。柱状組織5の成長角度αが1°未満の場合には、熱伝導の障害となり得る柱状組織5の界面5aや空隙5bなどが熱伝導方向とほぼ平行になり、熱伝導の経路を稼ぐことができない。従って、遮熱コーティング層4の遮熱効果を十分に高めることができない。一方、柱状組織5の成長角度αが80°を超えると、実際の製造工程で遮熱コーティング層4の形成が困難となる。
【0026】
これらのことから、柱状組織5の成長角度αを1〜80°の範囲にすることによって、遮熱コーティング層4による遮熱効果を再現性よくかつ実用的に高めることが可能となる。柱状組織5の成長角度αは20〜70°の範囲とすることがより好ましく、さらには30〜60°の範囲とすることが望ましい。なお、遮熱コーティング層4を構成する柱状組織5の成長角度α(基材2またはボンドコーティング層3の鉛直方向aと柱状組織5の成長方向bとの成す角度α)は、例えば遮熱コーティング層4の任意の断面を鏡面仕上げした後、光学顕微鏡(金属顕微鏡)または電子顕微鏡を用いて組織観察を行うことにより求めることができる。
【0027】
その上で、柱状組織5を有する遮熱コーティング層4は、ボンドコーティング層3との界面に平行な方向へのクラックの伝播を抑制することができ、また柱状組織5や成膜法などに基づいて比較的高硬度を有している。これらによって、遮熱コーティング層4の耐熱サイクル性や耐エロージョン性を高めることができる。すなわち、耐熱サイクル性や耐エロージョン性などに優れ、かつ遮熱効果を向上させた遮熱コーティング層4を得ることができる。このような遮熱コーティング層4を適用することによって、耐熱温度の向上や高信頼性化などを図ると共に、長寿命化を達成した耐熱部材1を提供することが可能となる。
【0028】
次に、上述したような構成を有する耐熱部材1の製造工程について、図3を参照して説明する。まず、図3(a)に示すように、耐熱合金やセラミックス部材などからなる基材2の表面に、例えばM−Cr−Al−Y合金からなるボンドコーティング層3を被覆形成する。ボンドコーティング層3は、前述したようにプラズマ溶射法、HVOF法、PVD法、CVD法などの成膜方法を適用して形成することができる。
【0029】
このようなボンドコーティング層3上に、例えばEB−PVD法で遮熱コーティング層4を形成する。この際、図3(b)に示すように、遮熱コーティング層4の柱状組織を形成する材料の蒸気あるいは粒子の流束方向cを、基材2またはボンドコーティング層3の鉛直方向aに対する角度βが鋭角を成すようにして、遮熱コーティング層4の形成する。この遮熱コーティング層4の材料流束方向cの鉛直方向aに対する角度(材料流束角度)βは、具体的には10〜80°の範囲に設定することが好ましい。
【0030】
材料流束角度βが10°未満の場合には、柱状組織5の成長過程において、柱状組織5の成長方向bを基材2またはボンドコーティング層3の鉛直方向aに対して角度を付けることができず、柱状組織5の成長角度αがほぼ0°になってしまう。これでは熱伝導の障害となり得る柱状組織5の界面や空隙が熱伝導方向とほぼ平行になり、熱伝導経路を稼ぐことができない。一方、材料流束角度βが80°を超えると、実際の遮熱コーティング層4の製造工程において、柱状組織5を有する遮熱コーティング層4の形成が困難となる。
【0031】
これらのことから、遮熱コーティング層4の材料流束方向cの鉛直方向aに対する角度βは10〜80°の範囲に設定することが好ましく、これによって遮熱効果を向上させた遮熱コーティング層4を再現性よく得ることができる。材料流束角度βは20〜70°の範囲に設定することがより好ましく、さらには30〜60°の範囲に設定することが望ましい。ここで、EB−PVD法においては、例えば材料流束方向cに対して鉛直方向aが所定の角度βを成すように、予め基材2を傾斜させたり、また希ガスや不活性ガスなどのガス流により材料流束方向cを制御することによって、形成材料の流束方向cと基材2またはボンドコーティング層3の鉛直方向aとの成す角度βを鋭角にすることができる。
【0032】
上述したような遮熱コーティング層4の形成工程を適用することによって、図3(c)に示すように、基材2またはボンドコーティング層3の鉛直方向aと柱状組織の成長方向bとの成す角度αを鋭角、より具体的には1〜80°の範囲とした遮熱コーティング層4が得られる。このような遮熱コーティング層4を有する耐熱部材1は、耐熱温度の向上に基づく機器運転温度の上昇による高効率化、さらには高信頼性化や長寿命化などを実現可能にしたものである。
【0033】
このような遮熱コーティング層4を有する耐熱部材1は、発電用やエンジン用のガスタービンなどに代表される高温機器の構成材料、より具体的には発電用ガスタービンや航空機用ジェットエンジンなどの動翼や静翼に好適に用いられるものである。ただし、本発明の耐熱部材はガスタービンの動・静翼の構成材料に限られるものではなく、各種高温機器の構成材料に適用することが可能である。
【0034】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について説明する。
【0035】
実施例1
基材としてNi基超合金CMSX−2を用意し、これを30×30×3mmの寸法に加工した。このNi基超合金板材の表面に、厚さ100μmのNi−Co−Cr−Al−Y合金からなるボンドコーティング層をプラズマ溶射法で形成した。次いで、このボンドコーティング層上にイットリアで安定化したジルコニアからなる遮熱コーティング層をEB−PVD法で形成した。
【0036】
安定化ジルコニアからなる遮熱コーティング層の形成にあたって、EB−PVD装置中で基材の傾斜角を制御することによって、ジルコニア蒸気もしくは粒子の流束方向がボンドコーティング層の鉛直方向に対して45°となるように設定した。このような条件下で、厚さ200μmの遮熱コーティング層(安定化ジルコニア層)を形成した。
【0037】
このようにして得た耐熱部材について、遮熱コーティング層の任意の断面を鏡面仕上げした後、電子顕微鏡を用いて組織観察を行ったところ、遮熱コーティング層はジルコニア結晶の柱状組織により構成されており、かつこのジルコニア結晶の柱状組織の成長方向とボンドコーティング層の鉛直方向との成す角度は約45°であることが確認された。また、本発明との比較例として、ジルコニアの柱状組織をボンドコーティング層の鉛直方向に成長させた遮熱コーティング層(柱状組織の成長方向と鉛直方向との成す角度が0°の遮熱コーティング層)を形成し、この遮熱コーティング層についても熱伝導率を測定した。
【0038】
上記した実施例1および比較例1の耐熱部材の遮熱効果を確認するために、遮熱コーティング層の熱伝導率をそれぞれ測定した。その結果、比較例1の遮熱コーティング層の熱伝導率は約1.7W/m Kであったのに対して、実施例1では遮熱コーティング層の熱伝導率が約1.2W/m Kと比較例1の約70%まで低下していた。さらに、実施例1と比較例1の耐熱部材をそれぞれ熱サイクル試験に供したところ、同等の熱サイクル特性を示すことが確認された。
【0039】
実施例2
基材としてNi基超合金IN−738を用意し、これを30×30×3mmの寸法に加工した。このNi基超合金板材の表面に、厚さ100μmのNi−Co−Cr−Al−Y合金からなるボンドコーティング層をプラズマ溶射法で形成した。次いで、このボンドコーティング層上にイットリアで安定化したハフニアからなる遮熱コーティング層をEB−PVD法で形成した。
【0040】
安定化ハフニアからなる遮熱コーティング層の形成にあたって、EB−PVD法装置中でハフニア蒸気もしくは粒子の流束方向をアルゴンガスのガス流により制御することによって、ハフニア蒸気もしくは粒子の流束方向がボンドコーティング層の鉛直方向に対して45°となるように設定した。このような条件下で、厚さ200μmの遮熱コーティング層(安定化ハフニア層)を形成した。
【0041】
このようにして得た耐熱部材について、遮熱コーティング層の任意の断面を鏡面仕上げした後、電子顕微鏡を用いて組織観察を行ったところ、遮熱コーティング層はハフニア結晶の柱状組織により構成されており、かつこのハフニア結晶の柱状組織の成長方向とボンドコーティング層の鉛直方向との成す角度は約45°であることが確認された。また、本発明との比較例として、ハフニアの柱状組織をボンドコーティング層の鉛直方向に成長させた遮熱コーティング層を形成し、この遮熱コーティング層についても熱伝導率を測定した。
【0042】
上記した実施例2および比較例2の耐熱部材の遮熱効果を確認するために、遮熱コーティング層の熱伝導率をそれぞれ測定した。その結果、比較例2の遮熱コーティング層の熱伝導率は約1.7W/m Kであったのに対して、実施例2では遮熱コーティング層の熱伝導率が約1.3W/m Kと比較例1の約75%まで低下していた。さらに、実施例2と比較例2の耐熱部材をそれぞれ熱サイクル試験に供したところ、同等の熱サイクル特性を示すことが確認された。
【0043】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば遮熱コーティング層の遮熱効果を高めた耐熱部材を提供することができる。従って、ガスタービンやジェットエンジンなどの高温部に適用される耐熱部材の耐熱温度の向上、それに基づく機器運転温度の上昇による高効率化、高信頼性化、長寿命化などを図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による耐熱部材の要部構造を模式的に示す断面図である。
【図2】図1に示す耐熱部材の遮熱コーティング層の微構造を拡大して示す模式図である。
【図3】本発明の一実施形態による耐熱部材の製造工程を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
1……耐熱部材,2……基材,3……ボンドコーティング層,4……遮熱コーティング層,5……柱状組織[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat resistant member used in a high temperature corrosive atmosphere, a high temperature oxidizing atmosphere, and the like, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, high efficiency and high performance of high temperature equipment represented by gas turbines for power generation and engines have been energetically advanced. As the most effective means for achieving such high performance of high temperature equipment, there is an increase in equipment operating temperature. Therefore, in order to cope with the increase in operating temperature of equipment, equipment constituent materials are required to have higher temperature strength, corrosion resistance, oxidation resistance, and erosion resistance.
[0003]
On the other hand, there is a limit to the improvement of material characteristics in the development of a single superalloy material based on Ni, Co, Fe, etc., so in the fields of power generation gas turbines and aircraft jet engines, etc. A technology to apply corrosion and oxidation resistant metal coatings made of M-Cr-Al-Y alloy (M: Ni, Co, Fe) to superalloys has been developed and recognized as an indispensable technology for achieving high temperatures. ing. In order to enable use in higher temperature environments, a ceramic layer with low thermal conductivity is formed as a thermal barrier coating (TBC) layer on the corrosion and oxidation resistant metal coating layer to improve the cooling efficiency of the substrate. Technology to enhance has been developed.
[0004]
The thermal barrier coating layer as described above has already been applied to actual machines such as a turbine vane having a low stress load. A ceramic material such as zirconia, hafnia, alumina, silicon nitride, sialon, titanium nitride, or aluminum nitride can be used as a material for forming the thermal barrier coating layer. In addition, when applying a thermal barrier coating layer, the corrosion-resistant and oxidation-resistant metal coating layer made of an M-Cr-Al-Y alloy or the like serves to relieve thermal stress caused by the difference in thermal expansion between the base material and the ceramic material. It also functions as a bond coating layer between the substrate and the thermal barrier coating layer.
[0005]
When forming a thermal barrier coating layer made of a ceramic material, plasma spraying method, spraying method such as high-speed gas flame spraying (HVOF) method, PVD (physical vapor deposition) method, CVD (chemical vapor deposition) method, spin coating method Various film forming methods such as can be applied. In particular, the plasma spraying method is used for thermal barrier coatings for moving and stationary blades such as gas turbines and jet engines because a thick film can be easily formed and a wide range of coating materials can be selected. However, the thermal barrier coating layer formed by the thermal spraying method has problems such as being easily peeled off from the inside of the layer due to thermal cycles and erosion, and it is difficult to form a uniform film on a portion having a small curvature of the substrate. Yes.
[0006]
On the other hand, application of an electron beam PVD (EB-PVD) method has been studied as a method for improving heat cycle resistance and erosion resistance. According to the EB-PVD method, a ceramic layer having a columnar structure growing in a direction perpendicular to the interface with the bond coating layer can be obtained. The thermal barrier coating layer having such a columnar structure can suppress propagation in a direction parallel to the interface of the crack, for example, and has a higher hardness than a plasma spraying method. Cycling and erosion resistance can be improved.
[0007]
In order to prevent exfoliation of layered ceramics by the plasma spraying method as described above, a technique for dispersing and arranging dispersed particles made of a composite oxide within a ceramic layer has also been developed (see, for example, Patent Document 1). In addition, there is an example in which a layered ceramic layer by a plasma spraying method and a columnar ceramic layer by an EB-PVD method are selectively used depending on the part of the heat-resistant member (see, for example, Patent Document 2).
[0008]
However, even though the thermal barrier coating layer by the EB-PVD method has a columnar structure interface and voids that can hinder heat conduction, these exist in parallel with the heat conduction direction. Can't earn the route. For this reason, the thermal conductivity of the thermal barrier coating layer by the EB-PVD method is about twice as high as that of the thermal barrier coating layer by the plasma spraying method or the like, and there is a difficulty in the original thermal barrier property of the thermal barrier coating. .
[0009]
[Patent Document 1] Japanese Patent Laid-Open No. 11-264084 [Patent Document 2] Japanese Patent Laid-Open No. 9-195067
[Problems to be solved by the invention]
As described above, as a method for forming the thermal barrier coating layer, an EB-PVD method capable of obtaining a ceramic layer superior in heat cycle resistance and erosion resistance as compared with a plasma spraying method is expected. However, in the conventional EB-PVD method, due to the columnar structure that grows in a direction perpendicular to the interface, it is not possible to gain a heat conduction path. It has the disadvantage that it cannot be increased.
[0011]
For this reason, in high-temperature equipment parts used in power turbines and stationary blades for power generation gas turbines and aircraft jet engines, so-called heat-resistant parts, problems that occur in their usage environment, that is, thermal cycles and erosion, etc. It is required to improve the heat shielding property, which is the original characteristic of the thermal barrier coating, while preventing the thermal barrier coating layer from peeling off. Then, by applying such a thermal barrier coating layer, it is strongly desired to develop a heat-resistant member that achieves high efficiency due to an increase in device operating temperature and realizes long life and high reliability.
[0012]
The present invention has been made in order to cope with such a problem, and without increasing the heat cycle performance and erosion resistance, the heat insulation property of the thermal insulation coating layer is improved, so that the high operation temperature is increased. An object of the present invention is to provide a heat-resistant member and a method for manufacturing the heat-resistant member that achieve efficiency, long life, and high reliability.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The heat-resistant member of the present invention is a heat-resistant member comprising a substrate, a bond coating layer formed on the surface of the substrate, and a heat-shield coating layer formed on the bond coating layer. The layer is characterized by having a columnar structure grown in a direction that forms an acute angle with respect to the vertical direction of the substrate or the bond coating layer.
[0014]
Further, the method for producing a heat-resistant member of the present invention includes forming a bond coating layer on the surface of the substrate, and forming an acute angle on the bond coating layer with respect to a vertical direction of the substrate or the bond coating layer. And a step of growing a columnar structure in a direction to form a thermal barrier coating layer.
[0015]
In the heat-resistant member of the present invention, a thermal barrier coating layer having a columnar structure is applied, and the columnar structure is grown in a direction that forms an acute angle with respect to the vertical direction of the substrate or the bond coating layer. In the thermal barrier coating layer having such a columnar structure growth direction, the interface and voids of the columnar structure are arranged at an angle with respect to the direction of heat conduction. It can be used effectively as an obstacle. Therefore, a heat conduction path of the thermal barrier coating layer having a columnar structure can be gained, thereby improving the thermal barrier property. In addition, since the thermal barrier coating layer having a columnar structure is excellent in heat cycle resistance, erosion resistance, etc., it is possible to provide a heat resistant member with improved heat resistance temperature, longer life, and higher reliability. It becomes possible.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a heat-resistant member according to an embodiment of the present invention. A heat-
[0017]
Examples of heat-resistant alloys effective for the
[0018]
A
[0019]
The
[0020]
The
[0021]
A thermal
[0022]
As a material for forming the thermal
[0023]
The thermal
[0024]
In the thermal
[0025]
Specifically, the angle α formed between the vertical direction a of the
[0026]
From these facts, by setting the growth angle α of the
[0027]
In addition, the thermal
[0028]
Next, a manufacturing process of the heat-
[0029]
The thermal
[0030]
When the material flux angle β is less than 10 °, the growth direction b of the
[0031]
Accordingly, the angle β of the thermal
[0032]
By applying the formation process of the thermal
[0033]
The heat-
[0034]
【Example】
Next, specific examples of the present invention and evaluation results thereof will be described.
[0035]
Example 1
Ni base superalloy CMSX-2 was prepared as a base material, and this was processed into a size of 30 × 30 × 3 mm. A bond coating layer made of a Ni—Co—Cr—Al—Y alloy having a thickness of 100 μm was formed on the surface of the Ni-based superalloy plate by a plasma spraying method. Next, a thermal barrier coating layer made of zirconia stabilized with yttria was formed on the bond coating layer by an EB-PVD method.
[0036]
In forming the thermal barrier coating layer composed of stabilized zirconia, the flux direction of zirconia vapor or particles is 45 ° with respect to the vertical direction of the bond coating layer by controlling the tilt angle of the substrate in the EB-PVD apparatus. It set so that it might become. Under such conditions, a thermal barrier coating layer (stabilized zirconia layer) having a thickness of 200 μm was formed.
[0037]
About the heat-resistant member thus obtained, after mirror-finishing an arbitrary cross section of the thermal barrier coating layer, the structure was observed using an electron microscope. The thermal barrier coating layer was composed of a columnar structure of zirconia crystals. In addition, the angle formed between the growth direction of the columnar structure of the zirconia crystal and the vertical direction of the bond coating layer was confirmed to be about 45 °. As a comparative example with the present invention, a thermal barrier coating layer in which a columnar structure of zirconia is grown in the vertical direction of the bond coating layer (a thermal barrier coating layer in which the angle between the growth direction of the columnar structure and the vertical direction is 0 °) ) And the thermal conductivity of the thermal barrier coating layer was also measured.
[0038]
In order to confirm the heat shielding effect of the heat-resistant members of Example 1 and Comparative Example 1 described above, the thermal conductivity of the thermal barrier coating layer was measured. As a result, the thermal conductivity of the thermal barrier coating layer of Comparative Example 1 was about 1.7 W / m K, whereas in Example 1, the thermal conductivity of the thermal barrier coating layer was about 1.2 W / m. It was reduced to about 70% of K and Comparative Example 1. Furthermore, when the heat-resistant members of Example 1 and Comparative Example 1 were each subjected to a heat cycle test, it was confirmed that the same heat cycle characteristics were exhibited.
[0039]
Example 2
A Ni-base superalloy IN-738 was prepared as a base material and processed into a size of 30 × 30 × 3 mm. A bond coating layer made of a Ni—Co—Cr—Al—Y alloy having a thickness of 100 μm was formed on the surface of the Ni-based superalloy plate by a plasma spraying method. Next, a thermal barrier coating layer composed of hafnia stabilized with yttria was formed on the bond coating layer by an EB-PVD method.
[0040]
In the formation of the thermal barrier coating layer made of stabilized hafnia, the flux direction of hafnia vapor or particles is bonded by controlling the flow direction of hafnia vapor or particles by the gas flow of argon gas in the EB-PVD method apparatus. It set so that it might become 45 degrees with respect to the perpendicular direction of a coating layer. Under such conditions, a thermal barrier coating layer (stabilized hafnia layer) having a thickness of 200 μm was formed.
[0041]
About the heat-resistant member thus obtained, after mirror-finishing an arbitrary cross section of the thermal barrier coating layer, the structure was observed using an electron microscope. The thermal barrier coating layer was composed of a columnar structure of hafnia crystals. The angle between the growth direction of the columnar structure of the hafnia crystal and the vertical direction of the bond coating layer was confirmed to be about 45 °. Further, as a comparative example with the present invention, a thermal barrier coating layer in which a columnar structure of hafnia was grown in the vertical direction of the bond coating layer was formed, and the thermal conductivity of this thermal barrier coating layer was also measured.
[0042]
In order to confirm the heat shielding effect of the heat-resistant members of Example 2 and Comparative Example 2 described above, the thermal conductivity of the thermal barrier coating layer was measured. As a result, the thermal conductivity of the thermal barrier coating layer of Comparative Example 2 was about 1.7 W / m K, whereas in Example 2, the thermal conductivity of the thermal barrier coating layer was about 1.3 W / m. It decreased to about 75% of K and Comparative Example 1. Furthermore, when the heat-resistant members of Example 2 and Comparative Example 2 were each subjected to a heat cycle test, it was confirmed that the same heat cycle characteristics were exhibited.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a heat-resistant member having an enhanced heat shielding effect of the thermal barrier coating layer. Therefore, it is possible to improve the heat-resistant temperature of heat-resistant members applied to high-temperature parts such as gas turbines and jet engines, and to improve efficiency, reliability, and life by increasing the device operating temperature based on it. Become.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a main structure of a heat-resistant member according to an embodiment of the present invention.
2 is an enlarged schematic view showing a microstructure of a thermal barrier coating layer of the heat-resistant member shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the heat-resistant member according to one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記遮熱コーティング層は、前記基材または前記ボンドコーティング層の鉛直方向に対して鋭角を成す方向に成長した柱状組織を有することを特徴とする耐熱部材。In a heat-resistant member comprising a base material, a bond coating layer formed on the surface of the base material, and a thermal barrier coating layer formed on the bond coating layer,
The heat-shielding coating layer has a columnar structure grown in a direction that forms an acute angle with respect to a vertical direction of the base material or the bond coating layer.
前記遮熱コーティング層の柱状組織は、前記鉛直方向に対して1〜80°の角度を成す方向に成長していることを特徴とする耐熱部材。The heat-resistant member according to claim 1,
The columnar structure of the thermal barrier coating layer grows in a direction that forms an angle of 1 to 80 ° with respect to the vertical direction.
前記遮熱コーティング層は、ジルコニア、ハフニア、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、窒化チタン、および窒化アルミニウムから選ばれる少なくとも1種を主成分とするセラミックス材料からなることを特徴とする耐熱部材。In the heat-resistant member according to claim 1 or claim 2,
The heat-shielding coating layer is made of a ceramic material mainly containing at least one selected from zirconia, hafnia, alumina, silicon nitride, sialon, titanium nitride, and aluminum nitride.
前記基材はNi、CoおよびFeから選ばれる少なくとも1種の元素を主成分とする耐熱合金またはセラミックス部材からなり、かつ前記ボンドコーティング層はM−Cr−Al−Y合金(ただし、MはNi、CoおよびFeから選ばれる少なくとも1種の元素を示す)からなることを特徴とする耐熱部材。In the heat-resistant member according to any one of claims 1 to 3,
The substrate is made of a heat-resistant alloy or ceramic member containing at least one element selected from Ni, Co and Fe as a main component, and the bond coating layer is an M-Cr-Al-Y alloy (where M is Ni , A heat-resistant member comprising at least one element selected from Co and Fe).
前記耐熱部材はタービンの動翼または静翼の構成材料であることを特徴とする耐熱部材。In the heat-resistant member according to any one of claims 1 to 4,
The heat-resistant member is a constituent material of a moving blade or a stationary blade of a turbine.
前記ボンドコーティング層上に、前記基材または前記ボンドコーティング層の鉛直方向に対して鋭角を成す方向に柱状組織を成長させて遮熱コーティング層を形成する工程と
を具備することを特徴とする耐熱部材の製造方法。Forming a bond coating layer on the substrate surface; and
Forming a thermal barrier coating layer by growing a columnar structure on the bond coating layer in a direction that forms an acute angle with respect to a vertical direction of the base material or the bond coating layer. Manufacturing method of member.
前記遮熱コーティング層の柱状組織を形成する材料の蒸気または粒子の流束方向を、前記基材または前記ボンドコーティング層の鉛直方向に対して鋭角を成すようにして、前記柱状組織を成長させることを特徴とする耐熱部材の製造方法。In the manufacturing method of the heat-resistant member of Claim 6,
Growing the columnar structure so that the vapor or particle flux direction of the material forming the columnar structure of the thermal barrier coating layer forms an acute angle with the vertical direction of the substrate or the bond coating layer. The manufacturing method of the heat-resistant member characterized by these.
前記材料の蒸気または粒子の流束方向を、前記基材または前記ボンドコーティング層の鉛直方向に対して10〜80°の角度を成す方向に設定することを特徴とする耐熱部材の製造方法。In the manufacturing method of the heat-resistant member of Claim 7,
A method for producing a heat-resistant member, characterized in that the vapor or particle flux direction of the material is set to a direction that forms an angle of 10 to 80 degrees with respect to a vertical direction of the base material or the bond coating layer.
前記遮熱コーティング層を電子ビームPVD法で形成することを特徴とする耐熱部材の製造方法。In the manufacturing method of the heat-resistant member of any one of Claims 6 thru | or 8,
A method for producing a heat-resistant member, wherein the thermal barrier coating layer is formed by an electron beam PVD method.
前記遮熱コーティング層は、ジルコニア、ハフニア、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、窒化チタン、および窒化アルミニウムから選ばれる少なくとも1種を主成分とするセラミックス材料からなることを特徴とする耐熱部材の製造方法。In the manufacturing method of the heat-resistant member of any one of Claim 6 thru | or 9,
The method for manufacturing a heat-resistant member, wherein the thermal barrier coating layer is made of a ceramic material mainly containing at least one selected from zirconia, hafnia, alumina, silicon nitride, sialon, titanium nitride, and aluminum nitride.
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